[发明专利]土壤水势效应器设备及其应用

说明书

提供了一种用于在含水介质中影响水势的设备，该设备包括透水壳体、可保持水的体积变化材料、可压缩插入物以及用于接收和转换信号的接收器。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年7月18日提交的以色列专利申请第253540号和2018年4月26日提交的美国临时专利申请第62/662,950号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及土壤水势领域，尤其涉及土壤水势效应器系统及其在农业中的应用。

背景技术

可使用干燥土壤样品之前和之后之间的重量差直接确定土壤中的水含量。这种直接技术通常被称为热重法(或简称重量法)，当将水含量表示为水的重量相对于干燥土壤的重量，GWC[lb³lb^-3](即，样品中存在的水的质量与土壤样品烘干(100℃至110℃)至恒重之后的质量之比)。另一方面，热体积法(或简称体积法)给出的水含量为一定体积的未扰动土壤VWC[ft³ft^-3]中的水的体积(即，与烘干的未扰动样品(土芯)的体积相关的水的体积)。尽管这些直接方法准确(±0.01ft³ft^-3)且便宜，但它们具有破坏性、速度慢(最少2天)、费时且不允许在同一位置重复。

另选地，许多间接方法可用于监测土壤含水量。这些方法通过与其他一些可测量变量之间的校正关系来估算土壤湿度。每种方法的适用性取决于几个问题，诸如成本、准确性、响应时间、安装、管理和耐用性。

取决于所测量的量，间接技术首先被分类为体积法和张力法。前者提供体积土壤湿度，后者产生土壤吸力或水势(即，毛细作用产生的张力)。体积技术估算未扰动土壤样品体积中的水的体积[ft³ft^-3]。该量对于确定土壤的饱和程度(即，土壤水溶液占土壤总体积的比例)很有用。当以深度(即，单位表面积土壤中向下至给定深度的水的体积(英寸水))表示时，可将其与其他水文变量(如降水、蒸发、蒸腾作用和深层排水)进行比较。

张力法估算土壤水的基质势(matric potential)，其包括土壤的吸附和毛细作用。基质势是总土壤水势的组分中的一种，总土壤水势还包括重力(相对于参考高程平面的位置)、渗透性(土壤溶液中的盐分)、气压或气动(来自滞留的空气)以及上覆盖层组分。基质势和重力势的总和是土壤和其他类似土壤的多孔介质中水运动的主要驱动力。

所有可用的张力测量仪器均具有与土壤接触的多孔材料，水可通过该多孔材料移动。因此，水从干燥土壤中的多孔介质中抽出，并被从土壤中抽出到潮湿土壤中的介质中。除了诸如直接读数和耐盐碱性的某些优点外，张力计已知具有有限的土壤吸力范围(1bar)；响应时间相对较慢；它们需要与陶瓷杯周围的土壤紧密接触以获取一致的读数，并避免频繁排放(内部水柱破裂)，需要频繁维护(重新填充)以保持管内充满水，尤其是在炎热干燥的天气中。

因此，仍然需要一种通用的、持久的、耐用的、廉价的并且对土壤含水量的细微变化反应灵敏的水势效应器系统。

发明内容

因此，本发明的主要目的是克服用于感测和测量土壤水势的现有技术方法和系统的缺点，从而提供具有快速响应时间并且能够响应土壤含水量的细微变化的通用的、耐用的、成本有效的、范围广的水势效应器设备。

本发明的水势效应器设备包括：透水壳体，其包括能够保持水的预定浓度的体积变化材料(VCM)，所述VCM被配置成响应于含水介质的水势的变化而增加或减小其体积；以及可压缩插入物，其被配置成维持预定的内部压力，其中壳体的内表面与VCM直接接触，并且当所述VCM的体积增加时，它变得在操作上与接收器接合，从而影响含水介质中的水势。

根据第一方面，提供了一种设备，其包括：

a.壳体，其包括至少一个透水部分；